一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的相控陣天線可以在波束大角度掃描過程中實現(xiàn)良好的有源阻抗匹配，從而提高天線系統(tǒng)的輻射效率，改善天線的輻射方向圖。該超材料相控陣天線支持線極化電磁場或圓極化電磁場，輻射場的交叉極化特性或圓極化軸比特性良好。本實用新型適用于雷達探測和移動衛(wèi)星通信等技術領域。
【背景技術】
[0002]相控陣天線剖面低，易于與載體共形，可以快速準確地控制輻射波束的指向，已經廣泛應用于雷達探測領域，同時在移動通信領域具有巨大的應用前景。
[0003]為了實現(xiàn)寬角掃描功能，必須嚴格控制天線單元的間距，避免大角度掃描時出現(xiàn)柵瓣；必須使用寬波束的天線單元形式；需要調節(jié)天線單元的互耦特性，避免出現(xiàn)掃描盲點。
[0004]目前工程應用的寬角度波束掃描的相控陣天線主要以下幾種:
[0005](I)微帶天線。這種天線單元使用印制板工藝制作而成，剖面低，方便與載體共形；但這類天線單元波束寬度窄，波束掃描范圍受限。
[0006](2)螺旋天線。這種天線形式天然支持圓極化，輻射波束在法線方向軸比特性極佳，但是寬波束軸比特性差，不適合寬角度圓極化波束掃描。并且這種天線形式無法發(fā)送或接收線極化信號。
[0007](3)波導口天線。在金屬波導中使用介質加載技術，可以縮小布陣周期，保證波束大角度掃描時仍無柵瓣出現(xiàn)。將波導口內部加載的介質向外延伸一段長度，能夠改善天線的阻抗匹配特性。但是這種天線形式容易出現(xiàn)掃描盲點。
【實用新型內容】
[0008]本實用新型提出一種寬角掃描的超材料相控陣天線。在天線陣面正上方覆蓋有超材料，可以改善天線的寬角阻抗匹配特性。超材料覆層由大量周期性排布的金屬貼片組成，支持雙線極化波和雙圓極化波，能夠改善天線輻射的交叉極化特性或圓極化軸比特性。
[0009]為實現(xiàn)上述技術指標，采用的技術方案為:
[0010]一種寬角掃描的超材料相控陣天線I為平面結構，由若干天線單元周期排布而成。每個相控陣天線單元均包括金屬波導4和填充在金屬波導內的加載介質5，金屬波導4的下端口為饋電口 6，金屬波導4的上端口為輻射口，其特征在于:在每個相控陣天線單元的輻射口的上方架設有超材料覆層2。
[0011]其中，所述的超材料覆層2由射頻板7和多個亞波長金屬貼片8組成，亞波長金屬貼片8印刷在射頻板7的上表面。
[0012]其中，相控陣天線單元的布陣周期是亞波長金屬貼片布陣周期的整數(shù)倍。
[0013]其中，超材料覆層與輻射口之間的間隙為0.02?0.2工作波長。
[0014]其中，在超材料覆層與輻射口之間還設置有支撐材料層3，超材料覆層的下表面貼合支撐材料層3的上表面，支撐材料層3的下表面貼合輻射口面。
[0015]其中，所述的支撐材料層3的介電常數(shù)范圍為I?1.1，損耗正切小于0.01。
[0016]其中，加載介質5上表面與輻射口面相齊平。
[0017]本實用新型相比于【背景技術】，技術優(yōu)點為:
[0018](I)超材料覆層2可以抑制表面波模式，有效減小天線單元之間的互耦。相比介質段延伸匹配法，本實用新型可在整個無柵瓣掃描區(qū)域實現(xiàn)更優(yōu)異的阻抗匹配，回波損耗更低，天線輻射效率更高。
[0019](2)超材料覆層2上印刷的金屬貼片對稱性高，支持雙線極化或雙圓極化電磁信號。
[0020](2)超材料覆層2采用印制板工藝制作而成，工藝成熟穩(wěn)定，加工精度高，結構簡單，便于安裝固定。
[0021](3)加載介質5的切面與金屬波導4 口面平齊，便于加工制作。
【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型的結構不意圖。
[0023]圖2是相控陣天線單元的結構示意圖。
[0024]圖3是超材料覆層的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面，結合圖1至圖3對本實用新型作進一步說明。
[0026]—種寬角掃描的超材料相控陣天線，包括多個相控陣天線單元，相控陣天線單元布陣形式靈活，既可采用方形布陣，也可采用三角形布陣。每個相控陣天線單元均包括金屬波導4和填充在金屬波導內的加載介質5，金屬波導4的下端口為饋電口 6，金屬波導4的上端口為輻射口，在每個相控陣天線單元的輻射口的上方架設有超材料覆層2。所述的超材料覆層2由射頻板7和多個亞波長金屬貼片8組成，亞波長金屬貼片8印刷在射頻板7的上表面。相控陣天線單元的布陣周期是亞波長金屬貼片布陣周期的整數(shù)倍。加載介質5可選用聚四氟乙烯注塑而成，介質上表面與輻射口面相齊平。
[0027]作為一個實施例，超材料覆層與輻射口之間空氣，兩者之間的間隙為0.02?0.2工作波長。
[0028]作為另一個實施例，在超材料覆層與輻射口之間還設置有支撐材料層3，超材料覆層的下表面貼合支撐材料層3的上表面，支撐材料層3的下表面貼合輻射口面。所述的支撐材料層3的介電常數(shù)范圍為I至1.1，損耗正切小于0.01。
[0029]超材料覆層的設計流程如下:
[0030](I)使用等效介質理論和電磁計算方法設計得到實現(xiàn)寬角阻抗匹配所需要的材料參數(shù)。
[0031](2)使用橫向周期排布的亞微長金屬貼片獲得所需要的結構參數(shù)。
[0032](3)通過調節(jié)金屬貼片的外形尺寸，改變等效的超材料厚度，可以使電磁信號在各個方位面，不同俯仰角度下都具有良好的透波效率。
[0033]該超材料相控陣天線的簡要工作原理如下:
[0034]該天線可用于接收天線或發(fā)射天線。以發(fā)射天線為例，其電磁信號的傳送過程為:射頻信號經過饋電口 6進行金屬波導內部形成電磁場信號。電磁場信號到達輻射口面處，經過超材料覆層2有效輻射到自由空間中。通過改變相鄰單元之間的相位差，可以精確控制輻射波束的指向。
[0035]其中超材料覆層2的作用原理為:該覆層等效于一種各向異性介質，它可以抑制表面波模式的出現(xiàn)，從而實現(xiàn)寬角范圍內的阻抗匹配。同時，超材料覆層由弱諧振的金屬貼片結構組成，在寬頻帶范圍內的熱損耗低，對信號系統(tǒng)的信噪比影響小。
【主權項】
1.一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線，包括多個相控陣天線單元，每個相控陣天線單元均包括金屬波導(4)和填充在金屬波導內的加載介質(5)，金屬波導(4)的下端口為饋電口，金屬波導(4)的上端口為輻射口，其特征在于:在每個相控陣天線單元的輻射口的上方架設有超材料覆層(2)。2.根據(jù)權利要求1所述的一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:所述的超材料覆層(2)由射頻板(7)和多個亞波長金屬貼片(8)組成，亞波長金屬貼片(8)印刷在射頻板(7)的上表面。3.根據(jù)權利要求2所述的一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:相控陣天線單元的布陣周期是亞波長金屬貼片布陣周期的整數(shù)倍。4.根據(jù)權利要求1所述的一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:超材料覆層與輻射口之間的間隙為0.02?0.2工作波長。5.根據(jù)權利要求1所述的一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:在超材料覆層與輻射口之間還設置有支撐材料層(3)，超材料覆層的下表面貼合支撐材料層(3)的上表面，支撐材料層(3)的下表面貼合輻射口面。6.根據(jù)權利要求5所述的一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:所述的支撐材料層(3)的介電常數(shù)范圍為I?1.1，損耗正切小于0.01。7.根據(jù)權利要求1所述的一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線，其特征在于:加載介質(5)上表面與輻射口面相齊平。
【專利摘要】本實用新型涉及一種寬角度波束掃描的超材料相控陣天線，該相控陣天線為平面結構，由若干天線單元周期排布而成。一種典型的相控陣天線單元由金屬波導、加載介質和饋電端口組成。相控陣天線陣面上方覆蓋有超材料，起到寬角度波束掃描范圍內阻抗匹配的作用。本實用新型涉及的相控陣天線可以在寬角度范圍內實現(xiàn)電磁信號的發(fā)送和接收，提高天線的輻射效率，改善輻射波的交叉極化特性或圓極化軸比特性。
【IPC分類】H01Q21/00, H01Q1/52, H01Q13/06
【公開號】CN205178013
【申請?zhí)枴緾N201520900182
【發(fā)明人】何應然, 張宙, 韓國棟, 王煥菊, 肖松, 丁寧
【申請人】中國電子科技集團公司第五十四研究所
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年11月11日